 | Главная :: Архив статей :: Поиск :: Гостевая :: Внешняя :: Ссылки |
Архив статей > Химия > Эйнштейний
Эйнштейний
Кандидат физико-математических наук В. Л. Михеев.
Объединенный институт ядерных исследований, Дубна
Химия и Жизнь №1, 1969 г., с. 11-14
Есть термин, пришедший в науку из сказки. "Серендипностью" называют дар находить то, чего не ищешь. Этот дар был у героев древней сказки о трех принцах Серендипа. "Серендипно" были сделаны многие выдающиеся открытия. Не стоит, впрочем, забывать о мудром замечании Луи Пастера, что "случай помогает подготовленному уму...".
Открытие элементов № 99 и 100 - эйнштейния и фермия - тоже можно считать примером серендипности.
В 1949 ГОДУ В СОВЕТСКОМ СОЮЗЕ были проведены успешные испытания атомной бомбы; США лишились монополии на атомное оружие. А еще через несколько лет Америка оказалась в роли догоняющего - первая водородная бомба была сделана в нашей стране.
"К июню 1951 г. наша программа создания водородной бомбы переживала тяжелый кризис". Это слова американского журналиста У. Лоуренса, волею судеб ставшего официальным историографом американского атомного оружия. Стремясь во что бы то ни стало первыми создать "сверхбомбу", американцы бросили на решение этой проблемы все силы и средства.
Самое большее, что удалось им сделать - это взорвать первое в мире термоядерное устройство, получившее кодовое название "Майк". Именно устройство, а не бомбу: "Майк", оснащенный сложными рефрижираторными установками, был настолько тяжел, что его не мог поднять ни один самолет.
"Майк" был взорван 1 ноября 1952 года на коралловом островке Элугелаб, входящем в атолл Эниветок в Тихом океане. При взрыве Элугелаб исчез. На морском дне образовался полуторакилометровый кратер глубиной более 50 метров. На много километров поднялось радиоактивное облако, которое, расползаясь, достигло в диаметре более ста километров. В долю секунды выделилась энергия в сотни раз большая той, что испепелила Хиросиму. Но первый термоядерный взрыв дал и другие результаты.
В частности, уран, входивший во взрывное устройство, подвергся интенсивному нейтронному облучению. Высчитали, что через каждый квадратный сантиметр его поверхности прошло около восьми граммов нейтронов. Это очень много. Чтобы облучить какое-либо вещество такой же "дозой" нейтронов в мирном ядерном реакторе, пришлось бы продержать его в реакторе около ста лет... Эти колоссальные нейтронные потоки имеют прямое отношение к открытию элемента №99.
В программу исследования эффектов, связанных с термоядерным взрывом, входило химическое исследование радиоактивных продуктов. Через грибовидное облако пронеслись беспилотные самолеты, они взяли пробы распыленных и газообразных веществ. В трех крупнейших лабораториях подвергли химической переработке сотни килограммов почвы с островов, окружавших исчезнувший Элугелаб. И в ней неожиданно обнаружили не известные раньше тяжелые изотопы плутония, которые могли образоваться в результате следующих процессов:
Но если так, то почему не могло случиться, что из нейтронных потоков невиданной плотности некоторые ядра урана захватили не 6-8, а, допустим, 15 нейтронов и после нескольких бета-распадов превратились в ядра элементов с порядковыми номерами больше 94, а может быть, и девяноста восьми? (К тому времени были известны 98 элементов.)
Открыть новые элементы было весьма заманчиво. С этой целью началась интенсивная химическая переработка почвы, привезенной с островов, окружавших исчезнувший Элугелаб.
В ИСТОРИИ ОТКРЫТИЯ большинства трансурановых элементов значительную роль сыграла актинидная теория, выдвинутая в 1944 году известным американским радиохимиком Гленом Сиборгом. Согласно этой теории, четырнадцать элементов, начиная от тория (№90) и кончая лоуренсием (№103), составляют группу актинидов, химические свойства которых такие же, как у элемента №89 - актиния. В то же время актиниды подобны лантанидам - элементам № 58 - 71, составляющим первое "семейство" химических двойников.
Как и лантаниды, актиниды не очень трудно отделить от прочих элементов, но очень трудно - друг от друга: слишком близки их свойства. Но на ионообменных колонках лантаниды и актиниды, переведенные в раствор, разделяются достаточно полно.
Ионообменная колонка - это стеклянная трубка, заполненная крупицами ионообменной смолы - полимерного материала, главная особенность которого отражена в названии. Ионообменная - это значит, что она может обмениваться ионами с окружающей средой. Различают катионо- и анионообменные смолы (катиониты и аниониты); первые "нацелены" на катионы, вторые - на анионы.
Все актиниды, будучи переведены в раствор, превращаются в трехвалентные катионы; валентность 3+ вообще наиболее характерна для этих элементов. Значит, после того как в результате многостадийной химической переработки актиниды отделены от прочих элементов, делить их нужно на катионите.
Радиохимики Калифорнийского университета во главе с Г. Сиборгом и А. Гиорсо использовали для этой цели катионит "дауэкс-50" - сополимер стирола и дивинилбензола, в который введены еще функциональные группы сульфоновой кислоты.
Сначала крупицы этого полимера попросту насыпали в раствор, содержащий смесь актинидов. Ионы элементов с порядковым номером от 89 и больше переходили из раствора на катионит. Тогда остаток раствора сливали, а мокрые крупицы катионита засыпали в верхнюю часть колонки, наполненной тем же самым полимером. Теперь нужно было отделить катионы от смолы и, отделяя, разделить.
Для этого применяют различные жидкости и растворы (их называют элюентами). В опытах было установлено, что для разделения лантанидов пригодны в качестве элюентов соляная кислота и цитрат аммония. Эти же вещества решили использовать при разделении актинидов; ведь актиниды и лантаниды - химические аналоги.
Расчеты оправдались. Благодаря неодинаковой прочности сцепления различных ионов с катионитом, в первых каплях элюента, выходящего из колонки, содержался только самый тяжелый элемент смеси, в последующих - второй, чуть более легкий, и так до последнего, самого легкого. Чтобы элементы снова не смешались, каждую каплю раствора принимали на отдельный платиновый диск и тут же отправляли в другое помещение, где с помощью специальных приборов определяли радиоактивные свойства элемента, принесенного в этой капле. Если по химическим свойствам актиниды - двойники, то по радиоактивным они вполне индивидуальны.
19 декабря 1952 года группа Сиборга ставила очередной опыт. Методика уже была отработана, химики точно знали, в какой по счету капле должен появиться самый тяжелый из открытых к тому времени элементов - калифорний. Однако еще раньше, в каплях, которые можно было бы назвать "докалифорниевыми", приборы зарегистрировали альфа-частицы с энергией 6,6 Мэв. Их порождали атомы неизвестного элемента. Но какого? Стали считать капли, в которых новый элемент давал о себе знать. Построили график - кривую вымывания. Она оказалась точно такой же, как у десятого лантанида - гольмия. Значит гольмий - ближайший аналог нового элемента, и этот элемент - десятый актииид, следовательно, его номер - 99.
Кривые, полученные вымывании актинидов цитратом аммония
В первых опытах удалось выделить лишь несколько сотен новых атомов - количество невидимое и невесомое. Обнаружить их удалось только благодаря высокой радиоактивности этого элемента. А спустя примерно месяц таким же путем и в том же "источнике" был найден еще один новый элемент - элемент №100, впоследствии названный фермием.
ИТАК, ВПЕРВЫЕ ЭЛЕМЕНТ №99 был получен в термоядерном взрыве. Ядра урана, захватившие по 15 нейтронов, семь раз испустили по электрону и превратились в ядра эйнштейния-253. Не следует, однако, думать, что этот элемент нельзя получить другими путями - не отравляя атмосферу радиоактивными осадками.
Эйнштейний "делают" и в ядерных реакторах. Уран-238 облучают нейтронами, и происходит последовательный захват нейтронов. Конечно, в реакторах этот процесс идет значительно медленнее и занимает не доли секунды, а годы. Но зато полученная "продукция" не разбрасывается по площади в тысячи квадратных километров, как было при взрыве термоядерного "Майка". Поэтому в реакторах удается накапливать элемент №99 в намного больших количествах - миллиарды атомов.
Но самым перспективным способом синтеза этого элемента (как, впрочем, и других актинидов с порядковым номером больше 99) сейчас считается метод тяжелых ионов - более быстрый, более эффективный. "Сырьем" служат достаточно стабильные уран и плутоний, а "снарядами" для бомбардировки - ускоренные ионы азота, кислорода, углерода и других сравнительно легких элементов. (Их-то и называют тяжелыми ионами.) При синтезе этим методом порядковый номер элемента увеличивается сразу на несколько единиц (по сравнению с элементом, из которого сделана мишень). Характерно, что восемь из двенадцати известных сейчас изотопов элемента № 99 впервые получены с помощью тяжелых ионов, альфа-частиц и дейтронов, а не нейтронов.
Так, при облучении урана-238 ионами азота в Лаборатории ядерных реакций Объединенного института ядерных исследований (Дубна) были получены изотопы эйнштейния с массовыми числами 245, 246 и 247 и уточнены радиоактивные свойства этих изотопов. Эйнштейний-247 в этих опытах получен впервые в мире .1
ПОЧЕМУ ЭЙНШТЕЙНИЙ - ЭЙНШТЕЙНИЙ, ИЛИ КАКИЕ БЫВАЮТ ПАМЯТНИКИ, - так можно было бы озаглавить следующую часть нашей статьи. "Я памятник себе воздвиг нерукотворный"... Точно так же великие научные открытия - несравненно более величественные (и наверное, более долговечные) памятники великим ученым, чем изваяния из бронзы, мрамора или гранита. Школьник, произнося слова "закон Ньютона", не отдает себе отчета, что этим самым он несет живую эстафету памяти о гениальном физике.
А бывает иначе: не Беринг открыл Берингов пролив, и не Беринг его так назвал. Итальянец Алессандро Вольта не думал, что потомки будут измерять напряжение вольтами и сотнями тысяч вольт...
Одним из величайших ученых всех времен и народов по праву считается Альберт Эйнштейн. Его знаменитую формулу Е = mС2, выражающую зависимость между массой и энергией, знают люди, очень далекие от физики. И очень символично, что имя автора этого закона, лежащего в основе всей ядерной энергетики, было увековечено в названии нового элемента, элемента №99.
Таблицей Менделеева человечество будет пользоваться всегда, и элементы, названные в честь великих физиков и химиков, - тоже памятники. Памятники тем, чье творчество сделало возможным синтез элементов, не созданных природой.
ЧТО ИЗВЕСТНО О СВОЙСТВАХ ЭЙНШТЕЙНИЯ? О радиоактивных - почти все; чтобы точно определить эти свойства, много "материала" не нужно. Вряд ли есть смысл в популярной статье приводить все эти характеристики, они интересны лишь узкому кругу специалистов-физиков. Отметим только, что Еs245 - не только самый легкий, но и самый короткоживущий изотоп элемента №99. Его период полураспада - около минуты. А дольше всех "живет" изотоп Еs254 - его период полураспада 250 дней. Это тоже не очень много.
Известно не только, за сколько времени, но и каким путем распадаются ядра всех изотопов эйнштейния.
Намного хуже изучены химические и физико-механические свойства этого элемента. Можно только предполагать, что эйнштейний - металл, примерно такой же тяжелый, как плутоний. Довольно отрывочны и сведения по химии эйнштейния.
Известно, что в водных растворах он образует трехвалентные ионы, соосаждается с гидроокисями и фторидами редких земель, а из разбавленной азотной кислоты экстрагируется трибутилфосфатом. Известны несколько комплексных соединений эйнштейния, существующих в растворах органических веществ. Наиболее тщательно изучено поведение эйнштейния в ионообменных колонках.
ЧЕМ ПОЛЕЗЕН ЭЙНШТЕЙНИЙ? Если бы кто-то из прочитавших эту статью приехал к нам в Дубну и попросил показать, как выглядит эйнштейний, то просьба эта осталась бы неудовлетворенной. Одна десятая микрограмма - столько весит самая большая из полученных пока в мире "партий" этого металла. Существуют программы получения эйнштейния в ядерных реакторах в значительно больших количествах - около миллиграмма, но пока эти программы остаются программами. Главное препятствие для получения весомых количеств эйнштейния - малое время жизни его изотопов.
Несмотря на это, эйнштейний уже получил практическое применение - в качестве мишеней для синтеза еще более далеких трансурановых элементов. Из эйнштейния-253 впервые получен элемент № 101, названный в честь Дмитрия Ивановича Менделеева.
Но главное, ради чего изучают свойства эйнштейния и других трансурановых элементов (кроме плутония), - это систематизация знаний о сверхтяжелых ядрах, выяснение закономерностей, на основе которых можно будет синтезировать сверхтяжелые элементы гипотетической пока области относительной стабильности... Впрочем, об этом в "Химии и жизни" писали уже не раз, и чтобы не повторяться, поставим точку.
1За эту работу автор статьи вместе с двумя другими молодыми физиками из Дубны - В. И. Илющенко и М. Б. Миллером в 1967 году был удостоен Премии Ленинского комсомола. - Ред
Главная :: Архив статей :: Поиск :: Гостевая :: Внешняя :: Ссылки
Помоги сайту! Брось денежку в смс-копилку!
